//Logo Image
作者:洪永杰(2001-02-19),推薦:徐業良(2001-02-23)
附註:本文為最佳化設計實驗室之感測器使用說明文件,內容包含感測器之原理介紹、特性規格與使用方法。

HIH系列溼度感測元件使用說明

溼度感測器在工業用途如食品加工業、實驗室之溼度控制,或在家庭電器用品如冷氣機、除濕機等中常被使用。本文介紹目前常用的溼度感測器,包含石英晶體振盪器溼度感測器、高分子溼度感測器、電解質溼度感測器、與陶瓷溼度感測器等,最後並針對HIH系列溼度感測器之原理、規格、使用方法做細部介紹。

1. 濕度感測元件之原理與應用

1.1 石英晶體振盪器溼度感測器

石英晶體本身是壓電材料,依切面的不同而有不同的振盪頻率係數,亦即所謂的頻率常數(frequency constant,單位Hz-m),同一切面,不同厚度的石英片,將有不同的振盪頻率。當石英片存在於含有水份的空氣中時,它會吸附空氣中的水份,增加了它的負載效應(loading effect)而使振盪頻率改變,可藉以測定溼度。

1石英晶體振盪器溼度感測器的基本結構,除了多加一層用來吸收水份的樹脂吸濕膜外,其餘均與一般石英晶體振盪器相似。圖2為振盪頻率與相對溼度(Relative Humidity, RH)的關係,假設有一厚度為t,切面的頻率常數為N,及密度為r的石英片,當吸收水份而使密度變化一Dr的量時,則它所產生的頻率變化量可表示為:

                                                                               (1)

其中負值的意義表示振盪頻率會隨著溼度的增加而減少。此類溼度感測器適用於溫度為0~50,溼度為0~100RH的範圍,測定精密度為±5﹪以內,通常使用10MHz左右的振盪頻率。此類溼度感測器應用範圍甚廣,在醫療方面常用於嬰兒保育器內作溼度監控之用。

1. 石英晶體振盪器溼度感測器

2. 石英晶體振盪器溼度感測器特性

1.2 高分子溼度感測器

高分子溼度感測器具有兩種不同的型式,一為如圖3所示的電容變化式,在高分子膜上下各蒸鍍一電極膜片,上方之電極為多孔性用以吸收水份,使水分子能被高分子膜所吸收而改變其電容量。另一種型式則為電阻變化型,其結構如圖4所示,亦即在感濕高分子膜的上方鍍上一對齒狀的電極,當溼度改變時,高分子膜吸收水份而使電極間之電阻會隨之而變,圖5所示為電阻型的典型特性曲線。

3. 電容變化型高分子溼度感測器

4. 電阻變化型高分子溼度感測器

5. 特性曲線

此兩種不同的型式各有其優劣點,電容型其容量變化小,靈敏度低,但重現率高,隨時間之變化小,不過與其配合的振盪電路相當複雜,測定比較困難。電阻型的精密度較差,約在2﹪以內,但其體積較小,測定比較容易。

1.3 電解質溼度感測器

電解質溼度感測器是最早使用的感測器,其基本結構是在兩金屬電極之間放置一些電解質材料,如LiCl等,當有水分子通過時,電解質與水分子間會產生化學反應而使電阻值下降。圖6所示為其特性曲線,由此一特性曲線可知此類溼度感測器所能測定之範圍較窄,約在30RH之內,如欲測定較廣之範圍,則必須採用多種不同的電解質,如此將增加測定的困難。

6. 電解質溼度感測器特性曲線

1.4 陶瓷溼度感測器

7所示為陶瓷溼度感測器的基本結構,圖8則為其代表性的特性曲線,它是以多孔性(porous)陶瓷如等材料來作為感測元件。當水分子經由多孔性電極如,進入陶瓷體之後,將會附著於陶瓷體的結晶顆粒表面上,使陶瓷體的電阻改變。此類結構的特點為當吸附水分子後,水分子不容易揮發,而使測定工作困難,因此必須加入發熱部份,使水分子揮發。

7. 陶瓷溼度感測器結構

8. 陶瓷溼度感測器特性曲線

2. HIH-3602-A型溼度感測器

9所示HIH-3602-A型為Honeywell公司所生產的HIH系列溼度感測器。其內部包含有相對溼度與溫度量測的感測裝置,以高聚合物電解質配合多孔性白金層為感測材料,並以多孔性為電極,同時於感測器外部利用抗水性的不鏽鋼多孔性燒結物將其包覆,細部構造如圖10所示。

9. HIH-3602-A型溼度感測器

10. HIH-3602-A型溼度感測器構造圖

2.1 工作原理與性能規格

HIH-3602-A型溼度感測器工作原理為將金屬氧化物粉末燒結成陶瓷物,由燒結的程度可得到一多孔狀的物體,而此多孔狀的物體表面會吸收水分子中的離子,使得溼度感測器產生物理變化,亦即使感測部份的材料阻抗發生改變。當溼度高時,在多孔質表面的吸附層變得更厚,阻抗變得更低,而使電流更容易通過,由此我們可以很容易的獲得溼度的大小。表1為其各項性能規格。

1. HIH-3602-A性能規格

溫度感測

100kΩ±5@25

溫度感測精確度

±3@25

相對溼度精確度

±2RH0~100RH(非凝結狀態),255Vdc supply

相對溼度線性規格

±0.5RH

相對溼度磁滯規格

±1.2RH of Span Maximum

相對溼度重現率

±0.5RH

相對溼度量測反應時間

50s於緩速流動空氣中@25

相對溼度量測穩定度

±1RH5年內相對溼度50%)

電壓供應

4.0Vdc to 5.8Vdc

電流供應

2.0mA

操作溼度範圍

0~100RH(非凝結狀態)

操作溫度範圍

-40~85-40~185

2.2 使用說明

如圖11所示,HIH-3602-A型溼度感測器共有6支接腳,說明如下:

AB接腳=溫度調節裝置。由於在不同的溫度下,飽和水蒸氣壓並不相同,使得溼度感測器會受到溫度的影響,因此本溼度感測器於其內部結構中加入熱敏電阻以做為溫度補償之用。

C接腳=供應電源(4.0Vdc to 5.8Vdc

D接腳=電路接地之用

E接腳=輸出電壓,作為量測值輸出訊號之用

F接腳=電源接地之用

11. 各接腳相對關係位置圖

依照各腳位連接外部供應電源與訊號處理裝置後,透過測量感測器輸出電壓訊號,並配合下圖1213之輸出電壓值與相對溼度關係圖,即可推算得到該電壓輸出值下所對應的相對溼度。

12. 輸出電壓值與相對溼度關係圖(0

13. 輸出電壓值與相對溼度關係圖(02585

參考文獻

感測與轉換,吳朗,全欣資訊圖書,813月。

感測器,陳瑞和,全華圖書,821月。

感測器應用與線路分析,盧明智、盧鵬任,全華圖書,859月。

Microsensors, Principles and Applications, Julian W. Gardner, John Wiley & Sons.

常用線性IC資料手冊,孫宗瀛、黃金定,全華圖書,829月。